Grundlagen der Automatisierungstechnik. (Automatisierungstechnik 1) 5. Echtzeit

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Frida Egger
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1 Grundlagen der Automatisierungstechnik (Automatisierungstechnik 1) 5. Echtzeit Definition von Echtzeit Häufiges Missverständnis Echtzeit bedeutet schnell FALSCH Richtige Definition Ein Echtzeitsystem garantiert die Einhaltung definierter Antwortzeiten. In der Automatisierungstechnik bedeutet Antwortzeit (i.a.) die Zeit, die von einem Ereignis im Prozess bis zum Wirksamwerden der entsprechenden Reaktion des Controllers im Prozess vergeht. Ein (Echtzeit-fähiges) Automatisierungssystem muss also auf eine Veränderung der Eingangswerte innerhalb einer definierten Zeit mit einer Veränderung der Ausgangsvariablen reagieren. Echtzeitbedingungen müssen auch für definierte Fehlerfälle eingehalten werden. 92 1

2 Warum Echtzeit? Kontinuierliche Regelung Verzögerungen führen zu Totzeiten im Systemverhalten Totzeiten müssen im Entwurf berücksichtigt werden (Stabilität!) Variable Totzeiten sind schwer zu handhaben (robuste Reglerentwürfe) Diskrete Steuerung Die Reaktion der Steuerung wird verzögert und dadurch u.u. wertlos Qualität der Steuerung (oder des Prozesses) nimmt u.u. ab Überwachung Verzögerte Reaktion kann zu gefährlichen Zuständen führen 93 Harte und weiche Echtzeit Harte Echtzeit deterministisch die Wahrscheinlichkeit, dass die Verzögerung (Antwortzeit) eine vorgegebene Grenze überschreitet, ist null Worst-Case-Betrachtung Weiche Echtzeit nichtdeterministisch die Wahrscheinlichkeit, dass die Verzögerung (Antwortzeit) eine vorgegebene Grenze überschreitet, ist klein, aber nicht null Betrachtung der Verteilung Wahrscheinlichkeit Grenze Wahrscheinlichkeit Grenze Zeit t min t max t dl t Average t dl t Average t min Zeit Gilt für normale Ausführungsbedingungen (u.u. mit spezifizierten Fehlern und Wiederherstellungsprozeduren) 94 2

3 Beispiele für geforderte Reaktionszeiten Automatisiertes System (Strecke) Anforderungen Automatisierungssystem Inhärente Verzögerungen 10 µs: Positionierung von Zylindern beim Offsetdruck (0,1 mm bei 20 m/s) 100 µs: Auflösung von Ereignissen im Stromnetz 1.5 ms: Abtastrate für Sicherheitsfunktionen auf unteren Ebenen (funktionale Sicherheit) 10 ms: Typische Auflösung von Ereignissen in der Prozessindustrie 200 ms: Akzeptierte Verzögerung auf eine Nutzereingabe ( gefühlte Direktverdrahtung ) 1 s: Akzeptierte Update-Rate für Daten an Bedienstationen 1 µs: Addition zweier Variablem in einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) 10 µs: Ausführung eines PID- Algorithmus 100 µs: Task-Switch in einem Echtzeit- Kernel 150 µs: Anfrage und Antwort über ein Bussystem 1 ms: Kommunikation zwischen Tasks 2 ms: Senden einer Nachricht über LAN 10 ms: Zykluszeit einer SPS 50 ms: Zykluszeit der Kommunikationskarte in einer SPS 100 ms: Ausführung einer Funktion über OPC (DCOM, CORBA) 95 Deterministische Systeme Ein deterministisches System reagiert unter allen Umständen mit beschränkten Antwortzeiten. Auch ein deterministisches System kann aufgrund externer Ursachen versagen (Ausfall eines Gerätes, Ausfall der Kommunikation, ). Dies wird i.a. als Ausnahmefall gesehen für den spezielle Reaktionen vorgesehen sind Determinismus erfordert die vorherige Reservierung aller Ressourcen (Netzwerk, Prozessor, Speicher), die nötig sind um die Funktion zu erfüllen. Alle Komponenten eines deterministischen Systems sind deterministisch! Nichtdeterministische Komponenten können nur dann verwendet werden wenn sie entsprechend gekapselt sind. D.h. der Nichtdeterminismus für den Nutzer nicht mehr erscheint. Beispiel: Warteschlangen: Ein überlagerter Algorithmus sorgt dafür, dass die Warteschlangen nie eine maximale Länge überschreiten. Interrupts: Der Interrupt-Handler ist sehr kurz und die Anzahl der Interrupts ist begrenzt. Determinismus und zyklische Ausführung (zeitbasierte, time-driven) stehen in engem Zusammenhang. 96 3

Nichtdeterministische Systeme Ein nichtdeterministisches System kann eine vorgegebenen Antwortzeit aufgrund interner Ursachen überschreiten (Bandbreite der Kommunikation, fehlende Ressource).

4 Nichtdeterministische Systeme Ein nichtdeterministisches System kann eine vorgegebenen Antwortzeit aufgrund interner Ursachen überschreiten (Bandbreite der Kommunikation, fehlende Ressource). Computer und Kommunikationssysteme führen zu nichtdeterministischen Verzögerungen: Antwort auf asynchrone Ereignisse (Interrupt) Zugriff auf geteilte Ressourcen (Prozessor, Netzwerk, ) Nutzung von Hardware mit nichtdeterministischem Verhalten (Festplatte) Wichtige Ursachen für Nichtdeterminismus Betriebssystem mit preemptive scheduling (UNIX, Windows,..) oder virtuellen Speicher Programmiersprachen mit garbage collection (Java, C#,...) Kommunikationssysteme mit gemeinsam genutztem Medium und Kollisionen (Ethernet) Nichtdeterminismus und ereignisbasierte Ausführung (event-driven, ondemand) stehen in engem Zusammenhang. 97 Beispiel zur Bedeutung von Echtzeitanforderungen Der Operator hält eine Hand auf dem negierten Notstop-Schalter Wenn das Tuch sich zwischen den Zylindern verfängt, lässt er los und die Zylinder müssen innerhalb einer halben Sekunde stoppen. Negierter Notstop 98 4

5 Beispiel zur Bedeutung von Echtzeitanforderungen Main controller (cyclic processing every 20 ms) Motor control IBS-M IBS (2 ms, 500 kb/s) Display Localbus BA DIO MCU LBA button loop IO IO IO IO IO IO IO IO Safety controller tower bus (1.5 Mbit/s, 32 ms) IBS-S tower control BA AIO MCU LBA IBS (2 ms, 500 kb/s) processing every 25 ms (cyclic) section control SERCOS ring (4 ms) processing every 25 ms (cyclic) section bus (1.5 Mbit/s, 32 ms) Gesamtverzögerung: = 140 ms! Zyklische Controller: 2 +2* * * = 210 ms! Zyklische Kommunikation? Verzögerung im Motor? Verzögerung im Sensor? 99 Antwortzeit und Verlässlichkeit Sicherheitssysteme arbeiten i.a. mit einer negativen Logik: Fehlendes OK -Signal löst die Sicherheitsabschaltung aus. Die Motorsteuerung im Beispiel erwartet, dass die Information Knopf ist nicht gedrückt alle 3 x 210 = 630 ms bestätigt wird um mit zwei aufeinanderfolgenden Übertragungsfehlern zurechtzukommen. Danach wird der Motor gestoppt. Eine zu große Verzögerung erzeugt demnach falsche Alarme Einfluss auf Verfügbarkeit Zeitverhalten beeinflusst Verlässlichkeit: Funktionale Sicherheit Verfügbarkeit 100 5

6 Zusammenfassung zu 5. Echtzeit Zusammenhang mit Verlässlichkeit 101 6

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